数控原理-4数控系统及插补原理

第4章计算机数控系统第一节CNC系统的组成与功能第二节CNC系统的硬件结构第三节CNC系统的软件结构第四节逐点比较法插补原理与实现第五节数字积分法插补原理与实现第六节数据采样（数字增量）插补原理与实现第七节数控系统的刀具补偿CNC系统和CNC装置CNC系统：数控装置、PLC、伺服系统第一节CNC系统的组成与功能CNC系统的组成CNC装置硬件组成：CPU、存储器、I/O接口程序输入/输出设备——交换信息通道通信设备——交换信息通道计算机数字控制装置——各种信息处理可编程控制器（PLC）——开关量控制主轴驱动装置——控制主轴转速，实现主轴定位进给驱动装置——进给轴的速度、位置控制CNC装置应该具备以下一些功能：(1)控制坐标轴运动/联动的功能。(2)准备功能，也称G功能。(3)插补功能。(4)进给控制功能。(5)主轴控制功能。(6)辅助控制功能。。(7)选刀及工作台分度功能。(8)固定循环功能。(9)补偿功能。(10)字符、图形显示功能。(11)诊断功能。(12)通信功能。(13)在线自动编程功能。核心功能[5]非核心功能CNC系统的功能基本功能–控制功能——轴运动、联动轴–准备功能——插补线形等（G功能：G00点定位；G01直线插补）–插补功能——运行数据计算–进给功能——进给速度控制（F100：100mm/min）–刀具功能——刀具参数、换刀（T01：第1号刀）–主轴功能——转速（S800：主轴转速为800r/min）–辅助功能——起停、转向、冷却液通断、刀库起停等（M功能：M02程序结束；M05主轴停止）–字符显示功能——人机对话的信息显示–自诊断功能——查明故障，减少停机–安全功能——通过PLC，控制限制各坐标在安全区内运动选择功能–补偿功能——刀具长度、半径补偿–固定循环功能——如钻孔等可借助宏程序功能完成–通信功能——如借助RS232串口等进入通信FMS通信网络–人机对话编程功能——CAD/CAM功能CNC装置的工作过程一、单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置二、专用CNC装置与开放式CNC装置第二节CNC装置的硬件结构CNC装置的硬件构成CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。各组成部分的作用如下：㈠中央处理单元(CPU)它的作用是实施对整个系统的运算、控制和管理。㈡存储器存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。㈢位置控制主要完成与伺服系统之间的信息交换。㈣输入输出接口主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。㈤MDI/CRT接口完成手动数据输入和将信息显示在CRT上。CNC装置硬件构成CPUEPROMRAM输入接口输出接口MDICRT接口位置控制接口其它接口磁带或磁盘机接口总线（一）单微处理器结构CNC装置在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控机床的各项任务。有的CNC装置虽然有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线资源，而其它微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只能成为一个专用的智能部件，他们组成主从结构，故也属于单微处理器结构。一、单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置单微处理机数控系统结构组成图3-5单微处理器CNC装置组成框图总线CPUEPROMRAMMDI/CRT接口PLC纸带阅读机接口I/O接口位置控制穿孔机、电传机接口通信接口数控面板CRT纸带阅读机纸带穿孔机电传机机床速度控制单元M1、单微处理器CNC装置组成硬件的作用1）微处理器微处理器是CNC装置的核心，由于所有数控功能都由一个CPU来完成，因此CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。为了提高处理速度，增强数控功能，常采用以下措施：⑴采用协处理器；⑵由硬件完成一部分插补工作；⑶采用带有微处理器的PLC和CRT等智能部件。经济型CNC装置常采用8位的微处理器芯片或采用单片机芯片(8位或16位)作为微处理器，一般CNC装置通常采用16位或32位微处理器芯片。现在的CNC装置都采用64位微处理器芯片。2）总线总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为三组。(1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根数与传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送n位宽度的一个字，采用单向线。(2)地址线：这一组线上传输的是地址信号，与数据线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单向线。(3)控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向线。3）存储器存储器是用来存放数据、参数和程序的。(1)CNC装置的系统程序存放在只读存储器EPROM中，即使断电，程序也不会丢失。常用的EPROM有：2716、2732、2764、27128、27256、27010等。(2)运算的中间结果存放在随机存储器RAM中，它可以随机读写，但断电后信息随即消失。(3)零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的RAM中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修改并且断电后，信息仍保存。4）PLCPLC用以代替传统的机床强电继电器逻辑控制。通过程序实现M、S、T功能的控制。PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC是CNC装置的一个部件，可以共享CNC装置的CPU，也可以配置单独的CPU。独立型PLC完全独立于CNC装置，本身具有完备的硬件（CPU、ROM、RAM等）和软件，可以独立完成规定的控制任务。5）位置控制模块CNC装置中的位置控制模块与伺服驱动装置的速度控制单元、位置检测元件组成位置闭环控制系统。位置环主要用于单个轴运动的位置控制。轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大。6）I/O接口对CNC装置来说,由机床向CNC传送的信号称为输入信号，由CNC装置向机床传送的信号称为输出信号。I/O接口的主要类型有：开关信号接口模拟信号接口标准输入输出设备接口串行通信接口1）CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制，分时处理。2）微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置；3）结构简单，容易实现；4）单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制，其功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制。2、单微处理器CNC装置的结构特点3、（单微处理器）CNC装置的印刷电路板方式1）大板结构CNC装置由主板和辅助功能板（卡）组成辅助功能板插在主板插槽内，受主板驱动2）模块化结构CNC装置由母板和功能模板组成功能模板插在母板插槽内，由CNC控制板驱动其他功能模块（二）多微处理器结构多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大提高，它更适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。多微处理器CNC装置一般采用两种结构形式:–紧耦合结构：各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。–松耦合结构：由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实现并行处理。多微处理器数控系统结构组成1、多微处理器CNC装置的基本功能模块模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。1）CNC管理模块管理和组织整个CNC系统的工作,主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。2）CNC插补模块完成插补前的预处理，如对零件加工程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等，之后进行插补运算，为各个坐标提供位置给定值。3）位置控制模块进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速，回基准点、伺服系统滞后量的监视和飘移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，驱动进给电机。4）存储器模块该模块为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。5）PLC模块对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数等。6）指令、数据的输入输出及显示模块它包括零件加工程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。2、多微处理器CNC装置的典型结构1）共享总线结构由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。主模块，从模块，串行总线裁决，并行总线裁决。CNC管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块总线2)共享存储器结构在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。下图为共享存储器结构框图。插补（CPU2）来自机床的控制信号输到机床的控制信号轴控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共享存储器3、多微处理器结构的特点为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，现代CNC装置多采用多微处理器结构，其主要特点是：⒈多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。⒉多微处理器结构的CNC装置可提供多种选择功能,可以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。⒊系统的集成度和可靠性高。⒋具有很强的通信能力,能很方便地进入FMS、CIMS。⒌能够进行多种语言显示。二、专用CNC装置与开放式CNC装置1传统数控系统存在的问题2国外对开放式数控系统的研究3开放式数控系统应具有的特征4目前开放式数控系统的形式和所具有的特点5开放式数控系统一例(一)CNC装置必须开放化专用型CNC装置采用封闭式的体系结构。其系统硬件是专用的，组成系统的功能板及其之间的连接方式都是专门设计的，与其他系统的同类型功能板相互不能通用；其系统软件的结构也是专用的，系统软件的细节对外不公开，不能提供给用户。由于CNC装置的封闭性，机床制造厂家几乎不可能自主地组成、配备所需要的CNC装置，CNC装置功能的增加和修改必须得有CNC装置开发人员的介入。机床制造厂家更不能根据自身的需要开发适合自己应用领域的部件或引用第三厂商生产的部件。最终用户在使用、维护CNC装置时也同样会面临这个问题。开放式数控装置1传统数控系统存在的问题专用软硬件的封闭性，各数控系统厂商的产品不兼容系统功能固定，用户无法重新定义和扩展缺乏与其他设备的互联和网络互联通道，不利于企业的网络化和信息化人机界面不灵活开放式数控装置2国外对开放式数控系统的研究美国：1981NGC计划，1991SOSAS标准1994OMAC计划(OPENMODULARARCHITECTURECONTROL)欧洲：1992OSAC计划(OPENSYSYTEMARCHITECTUREFORCONTROLSWITHINAUTOMATIONSYSYTEM)日本:OSEC计划(OPENSYSTEMENVIROMENTFORCONTROLLER)中国：2000年“新一代开放式数控系统平台”研究计划开放式数控装置3开放式数控系统应具有的特征模块化：功能，体系结构标准化平台无关性可再开发适应网络操作方式二、专用CNC装置与开放式CNC装置(二)开放式CNC装置的组成方式基于PC的CNC装置PC+NC形式的CNC装置软件型基于PC的数控装置的硬件构成NC+PC的复合式结构PC+NC的递阶式结构PC+I/O的软件化结构PC+功率接口的集成化结构PC+实时网络的分布式结构1PC化数控系统的体系构架：1PC化数控系统的体系构架：NC+PC的复合式结构Nc+Pc复合式结构又称专用数控加Pc前端的结构，是一种由专用数控装置与通用PC相结合构成的双平台复合结构。这类